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TECNOLOGIA Y SEGURIDAD ALIMENTARIA BIOFORTIFICACION EN CULTIVOS ALIMENTICIOS: RETOS Y PERSPECTIVAS Mario Roberto Fuentes L贸pez Email: mfuentes@icta.gob.gt mrfuentesl@yahoo.es ICTA Strategic Research

Tactical Research

Producer Beneficiary

Target population


Contenido • • • • • • • •

Introducción Situación global y nacional de la alimentación Conceptualización de la biofortificación La línea base La inocuidad de alimentos Estrategia Avances Impactos Strategic Research

Tactical Research

Producer Beneficiary

Target population

ICTA


Quienes somos ? • • • •

Proyecto Global Colaboración horizontal Incluye principales cultivos alimenticios Participación Institucional Centros Nacionales de Investigación: ICTA, Embrapa Centros Internacionales: CIAT, CIMMYT, otros Universidades, Organizaciones Privadas Países prioritarios caso maíz: Guatemala, Brasil, Etiopia, Zambia, Ghana Strategic Research

Tactical Research

Producer Beneficiary

Target population


Grupo Maiz HarvestPlus

impact Hugo De Groote

breeding

& adaptive breeding

Baffour Badu-Apraku David Beck Abebe Menkir Natalia Palacios Kevin Pixley

Mario Fuentes Paulo E. Guimaraes Catherine Mungoma Peter Sallah* Dagne Wegary

Peter Beyer Torbert Rocheford Dean DellaPenna Ray Glahn Mike Grusak Robin Graham Steve Rodermel James Stangoulis Kan Wang

genomics

nutrition/biochemistry

David Mowbray

communications

nutrition Lucie Malaba Natalia Palacios Wendy White

Bussie Maziya-Dixon Marilia Nutti

Girma Akalu Nilupa Gunaratna

food technology

nutritional impact


Visión Estratégica Seguridad alimentaria nacional, regional, mundial

Acceso, calidad y disponibilidad

Problemas de pobreza, hambruna y malnutrición

Demanda/oferta de alimentos

Salud y su relación con alimentos


Importancia de la Vitamin (VA) • Esencial para – – – –

Sistema visual Crecimiento/desarrollo Función inmunológica Reproduccion

• Causas de deficiencia – Ceguera – Decrese la inmunidad – Incremento de la morbilidad y mortalidad


Deficiencia de Fe, vitamina A y yodo (USAID map)

Steve Beebe, May 2005


Guatemala: alto problema con deficiencia de Provitamina A, Hierro y Zinc

Se refleja con serios problemas de anemia en ni単os entre 6-35 meses. Afecta alrededor de un millon de infantes


Guatemala (2000): Prevalecencia de la desnutrición en niños < 5 años por región (Retardo en talla y peso, relación peso/talla)

Fuente: Incap, 2000

La desnutrición afecta al 49% de los niños. En Guatemala equivale al efecto en un millon de infantes La mayor problemática se observa en el área rural y en población indígena (69%)


Seguridad alimentaria

Tiempo requerido para adquirir alimentos carne res queso fresco huevos pollo pan frances leche tortillas 0

1

2

3

Horas

4

5

6


Guatemala: Mapas de extrema pobreza y vulnerabilidad a la inseguridad alimentaria


Biofortificación: Rol de la agricultura en mejorar la nutrición humana Independiente del nivel de pobreza –malnutrición es el principal factor limitante• Cultivos biofortificados posibilitan mayor sostenibilidad • Costo relativamente menor si se compara con otras intervenciones (Harinas fortificadas, otros) • Menor costo económico de intervención y estable • Agricultura puede contribuir a mejorar la nutrición


Biofortificación •

• • •

Incluir alta calidad de la proteína, vitaminas y minerales esenciales dentro del genoma de los cultivos alimenticios Manipulación genética convencional Apoyo de la biotecnología ¡ No son OGM¡¡¡¡¡

Strategic Research

Tactical Research

Producer Beneficiary

Target population


Estrategia del programa Desarrollo de cultivos estables con alto contenido de micronutrientes usando métodos convencionales de mejoramiento genético y biotecnología moderna para mejorar las concentraciones de Provitamina A, Hierro y Zn. El proyecto también incluye el uso de alta calidad de proteína, el caso de maíz Provocar efectos positivos en la nutrición humana Apoyo del proyecto con estudios nutricionales Intercambio de germoplasma (variedades, híbridos)

WHP HP


Fase II

Fase I • • • • • •

Arroz Trigo Maiz Yuca Camote Frijol

• • • • • • • •

Camote Cebada Maní Lenteja Mijo Plátano Sorgo Gandul

Guatemala: priorización maíz, frijol, arroz, yuca WHP Kl WHP H


Hierro: Linea base y punto de interes Target

Baseline

Biofortified

Beans

Parent

Wheat

200 g intake

Cassava Maize

Grain

Flour

OFSP Rice 0

10

20

30

40

50

60

Iron mgkg-1

70

80

90 100


Zinc: State of Art - Phase 1 Crops Baseline Target

Biofortified Parent

Wheat Maize

Grain

Flour

Beans

200 g 100 g

Rice

7.5

Cassava OFSP 0

10

20

30

40

Zinc mgkg-1

50

60

70


β-caroteno: Linea base y punto de interes Target

+

OFSP SGR2 Rice Baseline

Maize Cassava 0

10

20

30

40

50

60

70

β carotene µg g-1 Biofortified Parent

80

90 100


Frijol Iron Guatemala-C.A


Yuca Proyecci贸n desarrollo variedades y germoplasma Guatemala-C.A


Arroz

Iron


Arroz Data source: Gerard Barry, IRRI

+31 µg g-1 β carotene


Camote Vitamin A


Avance de resultados • Evaluación de la variabilidad genética • Mejoramiento genético • Análisis de laboratorio • Estudios de bioeficacia • Aplicación de la biotecnología • Alta calidad de la proteína • Inocuidad

ICTA


beta-carotene

Pro-vitamin A structures

.

25.000

Survey of Maize Germplasm:

20.000

Data of T. Rocheford, U. of Illinois

15.000 10.000 5.000 White

B 68 C K55 M L2 47

Yellow

S C 5 S 5 C 21 3 K M UI3 16 2 C W M 17 4 P A9 F2 1 83 4T W F N 9 C 3 IA 20 21 32

0.000

6

Variaci贸n en color con diferente concentraci贸n de carotenos


Frecuencia contenido Pro-vitamina A en variedades de Guatemala 20 16

Freq.

12 8 4

1. 32 -2 2. 01 -2 .7 2. 71 -3 .3 9 3. 44. 08 4. 09 -4 .7 7 4. 78 -5 .4 7 5. 48 -6 .1 6

0. 63 -

1. 31

0

Range


Iron content in maize 70

Iron (ppm)

60

H+ Target (60 ppm) max = 39

50 40 30 20

average = 20

10 0

Genotypes

Zinc content in maize

max = 47

Zinc (ppm)

50 40

H+ Target (40 ppm)

30 20 10

average = 25

0 Genotypes

Promising material

Tropical maize (n=200). Aluminum values were less than 5 ppm, indicating no contamination


Frecuencia de hierro en variedades amarillas y blancas de Guatemala

White-Fe

Yellow-Fe 35 30 25 20 Freq. 15 10 5 0 11-19. 20-28 29-37 38-46 47-55 56-64 65-73 74-82

Range

Base line: 50-60 ppm

35 30 25 20 Freq. 15 10 5 0 12-15. 16-19

20-23

24-27

Range

28-31

32-35

36-39


Contenido Zinc en variedades amarillas y blancas de Guatemala

White-Zn

Yellow-Zn

25 16 14 12 10 Freq. 8 6 4 2 0

20 Freq.

15 10 5 0 19-21. 22-24 25-27 28-30 31-33 34-36 37-39 40-42

18-20 21-23 24-26 27-29 30-32 33-35 36-38 39-41

Range

Range

Base line: 35 mg/kg


Retrocruzamiento para alto contenido provitamina A Sam4 x Provitamins A sources

BC1F1 "ProA" in Sam4 BC2S1 Max 4.97; Min 0.42

BC2F1

BC1S1

BC2S1

BC1S2

50.00 40.00 30.00 20.00

BC2S2

10.00

BC1c1

BC1S3

0.00 0a1

1a2

2a3

3a4

4a5

BC1c1F1

BC2c1F1

BC1c1S1

BC2S3

BC1c1F2

x Testers

BC1S4 ProA in Sam (VitA)BC1S4 Max 6.13- Min 0.01

ProA in Sam 4 BC2S3 for TC Max 10.16- Min 0.21

40.00

35.00 35.00

30.00 30.00

25.00 25.00

20.00 20.00

15.00 15.00

10.00 10.00

5.00 5.00

0.00 0 a1

1a 2

2 a3

3 a4

>4

0.00 0a1

1a 2

2a3

3a4

>4


Estudios de heter贸sis para provitamina A Provitamins A for 9 hybrids at 2 locations

Total provitamins A (ug/g)

6 5

18

-34

10

23

35

25

-13

4

148

3

93 2

P1 F2 Tlalti F2 Batan P2

1 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

Hybrid and its 2 parents

Media de heter贸sis en padres y progenies: 9%; 121%; 34%


Predicci贸n del comportamiento de hibridos predichos

KU I3 C M L30 4 C M L49 KU 6 D TP I20 07 YF6 D 9TP Sn YF6 5Sn

10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 C M L30 0 C M L32 4 C M L29 7 C M L30 5

Provitamins A (ug/g)

Hypothetical

Average mid-parent heterosis = 9%; 121%; 34%

Heterosis

P1

P2

MP

25%MP

50%MP

5.0

5.0

5.0

6.3

7.5

5.0

6.0

5.5

6.9

8.3

5.0

7.0

6.0

7.5

9.0

5.0

8.0

6.5

8.1

9.8

5.0

9.0

7.0

8.8

10.5

6.0

5.0

5.5

6.9

8.3

6.0

6.0

6.0

7.5

9.0

6.0

7.0

6.5

8.1

9.8

6.0

8.0

7.0

8.8

10.5

6.0

9.0

7.5

9.4

11.3

7.0

5.0

6.0

7.5

9.0

7.0

6.0

6.5

8.1

9.8

7.0

7.0

7.0

8.8

10.5

7.0

8.0

7.5

9.4

11.3

7.0

9.0

8.0

10.0

12.0


Mapa Genetico:cromosomas para determinar ubicaci贸n carotenoides


An谩lisis de QTL y su ubicaci贸n en cromosomas 2.0 5.01

9.01

2.02

04 3.06

5.05 4.08

8.05

5.07

10.05

10.07

2.09

Associated with Levels And Forms of Carotenoids I

II

III

IV

V

VI

VII VIII IX

X


Fig. QTL likelihood maps indicating LOD score, position of markers and major QTL detected on chromosome 6 and 10 for carotenoids content and composition umc1645

umc1196

umc1993

umc2122

B1 B5 B6

B2

B3

Joint 2004 2005

bnlg1028

umc1506

umc2163

M ZETC34

phi062

umc2180

umc1336

A6

bnlg1655

B1

umc2016

A5

umc1367

A4

phi050

A3

umc1337

Chromosome 6

umc2053

phi118

umc2059

phi29985

umc2162

bnlg1732

A3 A4 A6 A1 A2 A5

Joint 2004 2005

nc013

acda

bnlg1617

umc2319 phi129

umc1979

umc1595

YISSR

umc2313

bnlg391

umc2314

phi126

phi075

umc2208

A1 Chromosome 10

A2 B2

B3

B4

B5

B6


Ruta de Biosintesis de los carotenoides

Synthase

*PSY y1

2x

2x

GGPP Phytoene

Lycopene

Cyclases

PDS vp5

Phytofluene

β- LCY ε- LCY

*

ζ- carotene

α- carotene β-carotene

ZDS Neurosporene vp9

* Lutein

Desaturases

β- LCY

*

*

β-crytptoxanthin

* Zeaxanthin

Hydroxylases


Otros estudios complementarios • Análisis de laboratorio para contenido de micronutrientes • Estudios de biodisponibilidad de nutrientes • Efecto del manejo postcosecha sobre los micronutrientes


NIR for Fe and Zn - Fe calibration curve


Estudios de bioeficacia • 40-d old male Mongolian gerbils – 10 gerbils/treatment

Treatment

VA consumption

60% high-βC maize + oil control

~ 0.1 μmol VA/d

60% white maize diet + βC supplement

~ 0.1 μmol VA/d

60% white maize diet + VA supplement

~ 0.1 μmol VA/d

60% white maize diet + oil control


Comportamiento Pro Vit a

Liver VA (μmol)

2.0

1.5

Provitamin A en maíz es más efectivo que la suplementación de βC

1.0

0.5

b

a

b

c 0.2

0.0

Control

Maize BC Treatment

VA


Que pasa con la provitamina A durante el cocimiento?

Photo: A. Menkir Photo: H. De Groote


Digestion and Absorption of Carotenoids GUT LUMEN

ENTEROCYTE

LYMPH

Food BC XAN AC

retinol

LRAT

RE

Oil droplet BC BC XAN AC

XAN

RE BC AC XAN Chylomicron

AC

Micelles retinol

LRAT

RE

RE BC AC XAN Chylomicron


What happens to provitamins A after we eat them?

S. A. Tanumihardjo


Genes o2o2 y Lpa-1 • Bajo phytato (lpa)

• Opaco 2 Mejora calidad de proteína

Mejora disponibilidad de Fe y Zn

Acceso a aminoácidos esenciales (lisina y triptófano)

Alto efecto positivo en nutrición

Gen en estado homocigoto recesivo

Gen mutante homocigoto recesivo

IMPLICACIONES

TALLA, DESARROLLO HUMANO, ENFERMEDADES GASTROENTESTINALES, ANEMIA


Opaco-2: lisina y triptófano, gen de herencia recesiva O2O2 x o2o2

O2o2

(Problema #2)

¼ O2O2; ½ O2o2; ¼ o2o2


Mejoramiento asistido por marcadores moleculares (QPM) • • • • • • • • •

Segregación de plantas F2 (AA 2Aa aa) Calibración técnica SSR Muestreo de plantas Extracción de ADN (NaOH) Amplificación de fragmentos (umc1066) Electroforesis en agarosa Tinción de geles (EtBr) Identificación de plantas con gen o2o2 Retrocruzamiento SEGREGACION MENDELIANA

AA:2Aa: aa

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

Gen Opaco-2

Sin presencia gen


Mejoramiento genetico: incluye

• Sistema genetico recesivo lisina, triptófano • Modificación del endospermo

•1

www.maizegdb.org/

•2 •3 •4


QPM vs Normal “iso-hibridos”

Hybrid Yield (t/ha) CML264Q x CML273Q 6.803 CML264 x CML273 7.006 Local check 5.539


Mejor nutrici贸n QPM Normal Maize

Guatemala, 2000


INOCUIDAD DE ALIMENTOS PROBLEMATICA DE LA CONTAMINACION DEL GRANO DE MAIZ INFECTADOS POR HONGOS DEL GENERO FUSARIUM = FUMONISINAS


Fumonisin in Guatemala • NTD rate 2106:10,000 • Fumonisin level varies by year, environmental conditions • Lowland Mean FB1 in corn 1.2 ppm (20002003)

Fumonisin data provided by Dr. Riley USDA

• Calculated Daily Intake 7.2 μg/kg bw d1 (average woman)


2004-2005: FB1 was detected more frequently in corn purchased in 2005, but the corn bought in the highland markets had less FB1 than that purchased in the lowland markets 100

50

50

40

40

30

30

30

20

20

20

10

10

10

0

0

0

90

Highland Departments n=109

80 70

>10

40

3<10

50

1<3

In 2005 60/109 positive by LCMSMS

60

0.3<1

>10

3<10

1<3

0.3<1

In 2005 121/127positive (> 0.050 ppm) byLCMSMS

<0.3

>10

60

3<10

60

1<3

70

0.3<1

70

<0.3

80

Lowland Departments 90 n=127 80

90 Frequency FB1 2005

100

All Departments n=236

<0.3

100


FUMONISINAS FACTOR DE RIESGO

.SUCEPTIBILIDAD GENETICA • LIMITADA INGESTA DE MICRONUTRIENTES • PUEDE PRODUCIR ENFERMEDADES EN HUMANOS Y FETOS


Reflexiones • • • •

Inserción de proyectos globales Baja el costo de investigación Comparte metodologías y productos Hay grandes perspectivas desde el punto de vista productivo, nutricional, impacto con el valor nutricional • Tecnologías que utilizan el mejoramiento convencional • No son productos transgénicos (OGM)


….cont • Se requiere integración de esfuerzos a nivel nacional • Debe constituirse en una política de estado para el fortalecimiento de la seguridad nutricional (SAN) • Fortalecer alianzas • Focalizar población meta Ej. Refacción escolar, harinas • Es complementaria a otros esfuerzos de seguridad alimentaria y nutricional


www.icta.gob.gt BUSCADORES: PCCMCA 2007, CONGRESO



Biofortificacion marzo 2007